Materiali

Struttura proprietà e applicazioni dei materiali

I materiali che tratteremo in questo corso sono:

• Calcestruzzo armato (materiale importante nel settore delle costruzioni)
• Acciaio
• Legno
• Materiale polimerico
• Vetro
• Pietra (materiale più antico)
• Mattoni e malta
• Titanio (materiale leggero e resistente alla corrosione, ha un aspetto grigio e cangiante assume quindi colorazione differenti in base alla luce)

I materiali sono sostanze solide con cui tutti noi abbiamo a che fare durante la vita quotidiana, però la moderna scienza dei materiali solo negli ultimi 100 anni è stata in grado di progettare nuovi materiali che non fossero già presenti in natura, ma di costruirne dei nuovi in modo da soddisfare varie esigenze (di tipo funzionale, estetico, elettrico). I materiali polimerici sono i materiali per eccellenza progettati e costruiti dall’uomo che si prestano bene a sostituire il vetro (infatti è trasparente, e inoltre a differenza del vetro è più leggero con spessori più sottili, ma non mostra la stessa durabilità del vetro, infatti tendono a degradare).

Con durabilità si intende la capacità di mantenere le caratteristiche nel tempo.

I materiali da costruzione sono utilizzati dall’uomo per realizzare le strutture, gli elementi costruttivi e gli oggetti necessari per lo svolgimento delle sue attività. La scelta del materiale è parte integrante del progetto, e questa richiede un compromesso tra esigenze tecniche, commerciali ed economiche.

Proprietà dei materiali

Con proprietà dei materiali intendiamo delle grandezze che descrivono il comportamento dei materiali quando vengono sollecitati, e permettono di prevedere il comportamento in esercizio delle strutture o degli elementi. Le proprietà vengono misurate attraverso dei parametri quantitativi che vengono utilizzati direttamente nell’esecuzione dei calcoli di progetto. Per capire le proprietà dei materiali dobbiamo effettuare una sollecitazione dello stesso e misurare la risposta a questo stimolo. La proprietà, infatti, può essere definita come la correlazione tra la risposta e stimolo.

La risposta dipende non solo dallo stimolo ma anche da una serie di proprietà del materiale tra cui troviamo: la geometria, la microstruttura, l’ambiente e il tempo (quest’ultima è molto importante perché non tutte le proprietà che vengono considerate a tempo 0 possono essere considerate tali anche a lungo tempo).

Le proprietà sono in genere classificate in funzione dei diversi tipi di sollecitazione che possono agire sul materiale, tra cui troviamo:

• Proprietà meccaniche: descrivono il comportamento del materiale in corrispondenza di una sollecitazione meccanica e in particolare in seguito all’applicazione di un sistema di forze, viene applicato principalmente in campo strutturale e edilizio. Tra queste troviamo: rigidezza, resistenza a trazione e compressione e duttilità (ovvero quanto un materiale è in grado di deformarsi plasticamente prima di giungere alla rottura)
• Proprietà fisiche o funzionali: si intendono le proprietà che descrivono il comportamento del materiale sottoposto all’azione della temperatura, campi elettrici o magnetici, della luce o del fuoco. Vengono applicate in ambito delle costruzioni. Tra cui troviamo: conducibilità elettrica (condurre o no l’elettricità), coefficiente di dilatazione termica (tutti i materiali quando si scaldano tendono a dilatarsi e è importante quantificare questa dilatazione)
• Proprietà chimiche: descrivono l’interazione dei materiali con le sostanze (liquide o gassose) con le quali viene a contatto nelle condizioni di utilizzo. Queste proprietà sono importanti per valutare la possibilità che un elemento possa continuare nel tempo ad assolvere le proprie funzioni. Sono legate quindi al deterioramento a lungo termine.
• Costo: a parità di prestazioni verrà scelto il materiale di costo inferiore così da contenere le spese. Proprietà che determina molte delle applicazioni dei materiali. Ad esempio i materiali metallici si corrodono perché c’è una tendenza del materiale a tornare alla forma ossidata, ma l’unico metallo che esiste in natura in forma non ossidata è l’oro che non si corrode, potremmo quindi risolvere il problema della corrosione utilizzando l’oro, ma questo non è possibile a causa del costo e della reperibilità.
• Lavorabilità: ovvero la facilità con cui al materiale si possano impartire le proprietà o la forma quindi con la possibilità di ridurre i costi. Proprietà intesa come facilità di messa in opera. Ad esempio il calcestruzzo è stato spesso considerato come pietra naturale fatta artificialmente dall’uomo, infatti è simile a una pietra ma può essere plasmato a temperatura ambiente, quindi è un materiale versatile per la messa in opera. Inoltre a causa della scarsa resistenza alla trazione viene inglobato con armatura per ottenere un materiale resistente anche alla trazione.
• Disponibilità: reperibilità di materie prime, e la possibilità di disporre del materiale nel luogo di utilizzo oppure in luoghi con distanze non eccessive. (anche il calcestruzzo che presenta materiale come acqua a volte non è facile reperirlo)
• Proprietà estetiche: colore, finitura superficiale
• Sostenibilità: ricerca di un equilibrio fra il soddisfacimento delle esigenze presenti della società senza compromettere la possibilità delle future generazioni di sopperire alle proprie. Ricerca fortemente orientata verso l’impatto ambientale (dal momento in cui vengono estratte fino al termine della sua vita di servizio), economico e sociale
• Riciclabilità o recuperabilità: il materiale finita la sua vita non deve essere sempre dismesso ma può essere rimesso nel ciclo produttivo, per ridurre l’impatto sull’ambiente.

Studio della struttura dei materiali

Un qualsiasi aggregato di atomi costituisce la materia, che è caratterizzata da una propria massa. La materia si può presentare in diversi stati determinati dall’equilibrio tra energia di coesione (avvicina gli atomi tra di loro) e energia termica (allontana gli atomi tra di loro). Le due situazioni estreme sono i fluidi (prevale energia termica) e i solidi (prevale energia di coesione). Il concetto di materiale è legato allo stato solido (mantiene la forma anche se sollecitato da forze), che può presentarsi sotto forma di diverse strutture:

• Cristallino: cioè ordinato a livello atomico.
• Amorfa: non ordinato.
• Semicristallino: non presenta una struttura del tutto ordinata o disordinata.

Per comprendere le proprietà dei materiali è necessario conoscere la struttura. Per struttura dei materiali si intende la disposizione e il modo con cui sono legati tra loro i componenti interni del materiale. Lo studio della struttura viene effettuato con diversi livelli di dettaglio:

Macrostruttura

Macrostruttura: (livello più grossolano, livello “ingegneristico”) la macrostruttura rappresenta la struttura del materiale a livello macroscopico cioè a un osservazione a occhio nudo. A questo livello il materiale è valutato nel suo insieme e considerato come continuo e omogeneo e si considerano proprietà medie valide in tutto il suo volume. I materiali riportati nell’immagine affianco (acciaio, calcestruzzo e muratura) possono essere distinti fra loro a occhio nudo.

Quando si parla di struttura è importante definire la minima scala rappresentativa ovvero la minima porzione di materiale che dobbiamo analizzare in modo da avere una proprietà media del materiale che non considera eventuali eterogeneità del materiale stesso che possono essere presenti se si considera una scala più piccola. Questo è un aspetto che ad esempio non si evidenzia per l’acciaio, in quanto è un materiale omogeneo e isotropo (le sue proprietà non hanno una direzione preferenziale di orientazione, sono le stesse indipendentemente dalla direzione in cui viene sollecitato).

Il calcestruzzo è fatto da matrice di pasta cementizia che tiene insieme gli aggregati, quindi già a occhio nudo il materiale non è omogeno (la densità all’interno del materiale ha risultato diverso in base la posizione considerata) ma è isotropo. Ma questo aspetto non interessa a questa scala, dovremmo però avere l’accorgimento di preparare dei provini che abbiano dimensioni più grandi rispetto a quelle dell’aggregato, c’è una regola semi-empirica che dice che per avere un risultato che sia rappresentativo per il calcestruzzo e non influenzato dalla presenza del singolo aggregato noi dovremmo scegliere dei cubi che hanno dimensioni di almeno 3,5 volte del diametro massimo dell’aggregato (questo garantisce di avere un valore di resistenza medio).

Lo stesso discorso effettuato per il calcestruzzo vale anche per la muratura, in quanto presenta degli elementi (mattoni) tenuti insieme da un legante (malta). Anche in questo caso dobbiamo fare provini più grandi rispetto quelli dei suoi costituenti.

Microstruttura

Microstruttura: rappresenta la struttura del materiale osservata con l’ausilio di microscopi che consentono di individuare l’eventuale presenza di diverse fasi costituenti. Con microstruttura si intende la struttura che si presenta a un livello di dettaglio tale per cui si possono individuare le singole fasi o particelle che lo costituiscono e che interagiscono per realizzare il comportamento del materiale nel suo insieme. Gli aspetti più importanti dell’analisi microstrutturale sono relativi:

• Alla geometria
• Alle proprietà fisiche, chimiche e meccaniche delle singole fasi
• Alle caratteristiche dell’interfaccia

Nell’immagine affianco troviamo il gesso all’ottone a una scala dell’ordine del micrometro. A questo livello si distinguono proprietà che sono molto importanti ovvero le proprietà di porosità, come nel gesso, in cui sono presenti fori. Infatti il gesso presenta questi fori (cosa che non troviamo nel metallo in quanto è compatto) che sono caratterizzati dalla non presenza di materiale. Questo è importante perché influenza la resistenza, e in particolare un materiale sarà tanto più resistente quanto meno poroso. Anche per quanto riguarda la durabilità la porosità è importante, infatti i materiali porosi si comportano come spugne assorbendo acqua o liquidi provocando una durabilità minore.

[Fase: regione con comportamento omogeneo (regione in cui il materiale ha bene precisa composizione e quindi ha determinate proprietà che al suo interno sono omogenee).]

Struttura atomica o molecolare

Struttura atomica o molecolare: (dettaglio ancora maggiore) Su scala atomica il materiale viene considerato in termini di aggregati di atomi o di molecole. La struttura a livello atomico consente una prima suddivisione dei materiali in diverse classi, in funzione non solo del tipo di particelle elementari che li costituiscono, ma soprattutto del modo con cui queste vengono legate tra loro. Fra più atomi possono formarsi vari tipi di legame.

Per rappresentare questo livello si utilizzano dei modelli per rappresentare i legami. Alcune proprietà dei materiali derivano direttamente dalla loro struttura a livello atomico. Una proprietà direttamente conseguente è la densità. Altre proprietà che dipendono dalla struttura del materiale sono:

• Stabilità chimica e la temperatura di fusione: materiali polimerici hanno temperature di fusione inferiori ai solidi ionici metallici, in quanto i legami tra le macromolecole sono in generale deboli.
• Rigidità: minore nei polimeri in quanto una forza aumenta la distanza interatomica e modificare la conformazione delle macromolecole
• Proprietà elettriche: metalli hanno elevata conducibilità elettrica per la presenza di una nube di elettroni delocalizzati che possono facilmente muoversi per effetto di un campo elettrico, mentre i materiali ionici o covalenti sono isolanti.

Tipi di solidi

I solidi hanno forma e struttura propria.

• Cristallini: tipo di solido a cui si pensa più facilmente. È composto da una cella elementare all’interno del quale si dispongono atomi e molecole, la cella viene ripetuta nelle tre dimensioni spaziali in modo ripetitivo. Molti solidi rientrano in questa categoria.
• Amorfi: pur essendo caratterizzati da una struttura che non ha la mobilità dei fluidi sono tuttavia disordinati. Come, ad esempio, il vetro che è a base di silicati, il silice è ordinato ma il modo con cui questi si combinano non è ordinato, è come se fosse un liquido congelato. La silice esiste in natura anche come sottoforma di silice cristallina ma quando la portiamo a fusione e la facciamo solidificare queste molecole che avrebbero una tendenza a cristallizzare non riescono a farlo a causa della mancanza del tempo.
• Semicristallini: coesistono porzioni amorfe e cristalline. Come ad esempio i materiali polimerici, che sono formati da una molecola molto grande che non è in grado di stabilirsi totalmente in modo cristallino.

Principali classi di materiali

I materiali possono essere classificati in gruppi più o meno omogenei.

• Metalli: sono materiali composti da uno (metallo puro) o più elementi metallici miscelati tra loro (lega). In genere si trovano in solidi cristallini caratterizzati da un alto punto di fusione e possono soffrire dalla corrosione e si presentano rigidi, resistenti, duttili e tenaci. Tradizionalmente i metalli vengono classificati in: metalli e leghe ferrose, e metalli e leghe non ferrose. I metalli sono caratterizzati da elevata resistenza meccanica e sono facilmente deformabili, sono buoni conduttori di elettricità e di calore.
• Polimeri: sono composti da lunghe catene molecolari a base di atomi di carbonio. Sono semicristallini o amorfi. In genere sono caratterizzati da bassa resistenza meccanica, elevata deformabilità, bassa conducibilità termica ed elettrica e bassa densità.
• Ceramici: materiali inorganici costituiti da elementi metallici e non metallici legati chimicamente tra loro. Possono essere cristallini, amorfi o parzialmente cristallini. La maggior parte si distingue per il carattere refrattario, sono inoltre duri e fragili, sono isolanti termici e elettrici.
• Compositi: sono formati da un materiale di rinforzo inglobati da una matrice (es. calcestruzzo).

I metalli sono tra i materiali più densi, a causa della struttura cristallina, i materiali ceramici sono pesanti mentre quelli polimeri sono leggeri.

Il modulo elastico descrive l‘elasticità dei materiali.

La resistenza a rottura è il valore di sollecitazione che un materiale è in grado di sopportare prima di rompersi, i metalli e i ceramici sono resistenti.

Tenacità a rottura è un parametro che ci dice quanto energia un materiale è in grado di assorbire prima di rompersi. I metalli sono molto tenaci mentre i ceramici e i polimeri no.

Punto di fusione riflette la resistenza dei legami → Durezza resistenza superficiale.

Parametri di resistenza distinti tra trazione e compressione: metalli tanto a trazione quanto compressione, mentre i ceramici resistono molto a compressione e molto meno a trazione.

Proprietà elettriche metalli conduttori e ceramici isolanti.

Resistenza chimica (capacità di mantenersi inalterato nel tempo), metalli bassa-media, ceramici eccellentemente, i polimeri in genere hanno buona resistenza chimica, possono subire fenomeni di degrado in presenza di solventi organici o radiazioni ultraviolette.

Proprietà meccanica dei materiali

Quando su un corpo agisce una forza esterna o una forza generata al suo interno, si possono avere diverse conseguenze in funzione dell’entità della forza, del tipo di materiale e dalla geometria. Se la forza è sufficientemente piccola il corpo di deforma ma in modo temporaneo, in quanto quando viene rimossa la forza la deformazione viene completamente recuperata; in questo caso si parla di comportamento elastico. Aumentando la forza, in molti materiali si può dare luogo ad una deformazione molto maggiore che non viene più recuperata, si parla allora di deformazione plastica. Infine quando vengono applicate forze sufficientemente elevate si può giungere alla frattura, cioè alla divisione del corpo in due o più parti dando origine a nuove superfici.

Prove meccaniche

Comportamento elastico: il materiale subisce una forza di trazione e il corpo si allunga, ma se la forza non è grande allora il materiale torna nella configurazione originaria e si dice che il materiale si è deformato elasticamente, la forza elastica è temporanea e reversibile (la deformazione viene recuperata senza dissipazione di energia). Questo comportamento elastico avviene finché la forza rimane piccola.

Comportamento plastico: se la forza inizia ad essere maggiore allora avremmo un comportamento plastico perché la deformazione viene recuperata solo in parte e quindi la configurazione iniziale non è uguale a quella finale, e la deformazione è irreversibile. Non tutti i materiali subiscono questa fase, infatti possono passare direttamente a quella della rottura. Comportamento plastico → snervamento.

Comportamento a rottura: se la forza è troppo grande allora il materiale cede e si rompe, la rottura comporta la formazione di nuove superfici: superfici di rottura. In questo caso diciamo che il materiale ha ceduto. Tutti i materiali se sollecitati oltre un certo livello di sforzo si rompono e alcuni non passano in una fase di plasticità (vetro).

Per caratterizzare il comportamento meccanico bisogna effettuare delle prove meccaniche che possono essere